[發明專利]基于旋轉對消原理的空芯線圈互感系數誤差消除方法及應用

有效

• 申請號: 201610983898.8
• 申請日: 2016-11-09
• 公開（公告）號: CN106556733B
• 公開（公告）日: 2017-09-01
• 發明（設計）人: 李紅斌;陳慶
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01R19/00
• 分類號: G01R19/00;G01R35/02
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務所(普通合伙)42224
• 代理人: 宋業斌

技術領域

本發明涉及一種電流傳感器的誤差消除方法，具體地說，涉及基于旋轉對消原理的空芯線圈互感系數誤差消除方法及應用。

背景技術

空芯線圈具有無磁飽和、測量范圍大、線性度好、頻帶寬的優點，是一種極具競爭力的新型電流傳感器，空芯線圈是一種電感式傳感器，基于磁感應實現對電流的測量，互感系數是其最關鍵參數。

空芯線圈中，二次繞組繞在一個非磁性骨架上，不存在鐵磁材料，使傳感器在幾安到幾百千安的范圍內仍然具有優良的線性，與傳統CT不同，由于它不是直接測量電流，即使被測電流含有很大的直流分量，仍然不會飽和。因此近年來空芯電流互感器開始應用于繼電保護和測量中。

整個線圈均勻地繞在一個環形的非磁性骨架上，將流有被測電流的載流導線置于空芯線圈的環形非磁性骨架內，且通環形非磁性骨架的軸線平行，對于穩態下的正弦電流，空芯線圈的輸出電壓可以表示為e＝M·jω·I，式中，I為被測電流，M為互感常數，ω為正弦電流的角頻率，e為空心線圈的輸出電壓。

一般空芯線圈需要匹配積分器使用(包括模擬積分器和數字積分器)，積分器的輸入輸出電壓信號滿足關系式U_o＝K·U_i/(jω)，其中U_i為輸入電壓信號，U_o為輸出電壓信號，ω為正弦電流的角頻率。若將空芯線圈的輸出電壓作為積分器的輸入信號，則最終的輸出電壓U_o＝K·M·I。可以看到，空芯線圈的測量被測電流的準確度取決于一個穩定的互感系數M。所以為了獲得高精度的空芯線圈，制作時必須遵循以下原則：線圈密度恒定；骨架截面積恒定；線圈橫截面與中心線垂直，否則，會導致空芯線圈結構不對稱，將引入較大的測量誤差。

在實際生產及應用中，為了避免空芯線圈結構不對稱而引入的測量誤差，通過標定電流對空芯線圈互感系數進行標定，但是每次標定的互感系數M不可能是完全恒定的，載流導線的形狀、位置和電流分布對標定的互感系數M有著直接而顯著的影響，誤差通常為1％—3％，極端情況可能超過10％，這樣的準確度不能滿足大多數工業現場的電流測量要求，這也是阻礙空芯線圈產業化的重要原因之一。

基于此，迫切需要一種空芯線圈的互感系數誤差消除方法，以解決應用中存在的上述問題，使空芯線圈的測量準確度大幅提高，滿足絕大多數工業現場的測量需求。

發明內容

針對上述缺陷，本發明提供了基于旋轉對消原理的空芯線圈互感系數誤差消除方法，旨在解決現有技術中由于在標定空芯線圈互感系數過程中空芯線圈結構不對性和載流導線形狀、位置及電流分布因素對空芯線圈的互感系數的影響而使標定結果不準確的技術問題。

為實現上述目的，本發明提供的基于旋轉對消原理的空芯線圈互感系數誤差消除方法，空芯線圈固定在轉盤上，且空芯線圈中心軸線與轉盤中心軸線重合，載流導線置于轉盤內且與轉盤中心軸線平行，其特征在于，包括如下步驟：

(1)讓轉盤相對載流導線旋轉并測量轉盤第i次旋轉后空芯線圈的電壓e_i；

(2)判斷轉盤旋轉次序i是否等于轉盤旋轉次數n，若是則進入步驟(3)，否則，i＝i+1并進入步驟(1)；

(3)根據空芯線圈的電壓和載流導線中標定電流獲得轉盤第i次旋轉后空芯線圈互感系數的測量值M_i；

(4)將轉盤第i次旋轉后空芯線圈互感系數的測量值加權取平均值獲得空芯線圈的消除誤差后互感系數M；

式中，i為轉盤旋轉次序，i的初始值為1，n為獲取消除誤差互感系數時轉盤旋轉次數，且1≤i≤n，e_i為轉盤第i次旋轉后空芯線圈的電壓，M_i為轉盤第i次旋轉后空芯線圈互感系數的測量值，M空芯線圈的消除誤差后的互感系數。

通過多次旋轉轉盤，且每次旋轉角度相同，在每旋轉一次轉盤后獲得在轉盤與載流導線在該位置下空芯線圈的電壓，并根據空芯線圈電壓與標定電流關系換算成互感系數，每次旋轉轉盤對應的互感系數的誤差各不相同，由于每次旋轉角度相同，使得這些誤差服從正態分布規律，將多次的互感系數進行加權平均，即可消除互感系數的誤差，即采用旋轉對消原理消除互感系數的誤差，從而極大的提升空芯線圈電流測量的準確度等級。